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1、基于STM32的LED点阵光笔设计方案第一章 绪论1.1课题的背景和意义随着计算机技术的发展，各种硬件设备也日新月异，在输入设备中，为了应对手写文字输入与绘画输入的需要，出现了各种手写绘画输入设备，包括写字板、绘画板等。LED显示屏就是其中一种写字板。写字板可以免去学习打字的烦恼，使用起来相当方便。目前写字板在智能识别技术已相当成熟，就算字迹潦草些也不用担心电脑无法识别。 LED显示屏面积可以根据需要由单元模块任意拼装，以其变化丰富的色彩，图案实时动态的显示模式，完美的多媒体效果，强大的视觉冲击力将信息、文字、图片、动画、视频等多种方式显示出来,成为信息传播的划时代产品,在铁路民航、体育场馆、
2、会议厅、高速公路、广场、大型商场、证券市场以及多种监控调度中得到了广泛的应用。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。 当前，LED显示屏的应用已涉及社会经济的许多领域。LED显示屏主要应用领域为广告业，它的出现为广告产业带来了一种新的视觉冲击，广告业的蓬勃发展带动了LED显示屏技术的创新，渐渐的LED显示屏的一些不足也开始进入了人们的“视线”，所谓谁把握先机谁就离
3、成功越近，这就突出了广告的实时性。由于LED显示屏必须通过电脑终端控制，所以为其中内容修改带来了不便。为了解决LED显示屏中内容修改不便的问题，就需要设计一种可以在其上写字的光笔，这样不仅可以把LED显示屏与电脑终端脱离，而不影响其工作，而且直接在LED显示屏上写字给人的视觉冲击也是相当的震撼。广告人的创作灵感往往就在那么一瞬间，如果这种带手写笔的LED显示屏得到发展，人们就可以看到在广场上的艺术展。手写识别技术是指通过手写板等轨迹捕获设备获得书写者的书写信息，将手写字转换输入计算机。用户在手写板和触摸屏上书写的笔画以类似于矢量图的形式被计算机存储下来，通过对文字图像的抬笔、落笔、笔迹上各像素
4、的空间位置等信息进行处理与对照，系统将数据转化为计算机所使用的文字代码进行输出。 手写汉字识别技术发展至今，无论在识别率（几个大厂商几乎都可以达到98%以上）还是识别速度方面都可以称之为相当成熟的技术了，完全能够满足实际应用的要求。 本课题综合运用LED显示屏和手写技术，设计了一款可以在3232LED点阵上写字的光笔，可以实现在点阵上书写，满足人们的手写输入需要。1.2课题设计的思路简介LED点阵可以实现扫描微亮和显示点亮，用STM32控制，使LED点阵能逐点高速程控点亮熄灭，即工作在人眼不易察觉的扫描微亮情况下。当光笔在点阵上划过时，通过编程检测获得光笔所在位置的行列坐标，并记录行列坐标。运
5、算之后点亮位置坐标处的LED，即实现了书写功能。光笔采用光敏三极管为核心设计制作完成，通过三极管感应光强的变化，从而引起电压变化获得光笔所在位置，实现点亮。在设计中，我们运用了4-16线译码器74HC154和锁存器74LS273来控制点阵的行和列，通过STM32的控制实现书写显示功能。同时，我们还设计了LCD液晶显示屏，来显示光笔位置的精确坐标。通过按键来实现系统不同的功能。1.3设计任务及要求本课题实现一种小型的光笔输入装置，应达到以下要求：设计并制作一个规模为32x32的LED点阵,该LED点阵能逐点高速程控点亮熄灭；设计并制作一支光电感应画笔，画笔在LED点阵上随意移动，系统能实时捕捉画
6、笔笔尖在LED点阵上的位置信息；LED点阵能显示出由画笔描绘的图案。系统结构如图表 1所示图表 1 LED点阵光笔系统结构示意图第二章 系统结构设计2.1系统的总体设计本设计主要由软件部分和硬件部分构成。根据课题要求，LED点阵光笔由主控模块、LED点阵模块、光笔电路、LED点阵驱动、LCD显示和按键电路等部分组成。系统框图如图表 2所示图表 2 系统框图2.2各模块的设计2.2.1核心控制模块的设计核心控制模块是系统的大脑，控制着系统的所有输入输出、计算、判断与决策。“LED点阵光笔”检测精度要求高且数据存储容量大，选择适合的控制模块，能确保其快速实现稳定及达到系统要求的基本条件。STM32
7、系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。时钟频率为72MHz，是同类产品中性能最高的产品。内置32K到128K的闪存，运行速度快、低功耗（在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2 uA）、高集成度（集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等），功能和性能都要比51系列强大很多。所以我们选择STM32为核心控制模块。2.2.2光笔设计光笔设计的关键是选择合适的传感器件，只有具有很高的灵敏度和一定的响应时间的传感器才能完成系统的要求及功能。方案一：采用核心部件为光敏电阻制成的光笔检测系统。光敏电阻是将光能转换
8、为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器的主要部件。光敏电阻结构简单、使用方便、价格便宜，但经调试发现其响应时间长，不易检测。方案二：采用光敏二极管，与光敏电阻相比有较好的高频特性，具有一定的可靠性，功耗低.相比于光敏电阻而言灵敏度较差，需要较高倍数的放大器才能实现精准识别的效果。方案三：采用光敏三极管，其工作原理与光敏二极管相似。但光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。所以其灵敏度更高，响应时间快。基于以上分析，我们采用光敏三极管作为光笔的检测部件。2.2.3点阵屏设计点阵屏采用16块8 X 8的点阵，连接成一个32 X 32 的点阵，将每一行
9、对应的引脚相连，使每一行的32个LED灯相连，每一列的32个LED灯相连。将点阵的驱动电路设成两种状态，一种为正常电压，可以正常显示；另一种通过硬件电路调节恰好能使点阵处于微亮状态。当书写前，点阵处于微亮扫描状态，光笔划过后，正常显示划过的点，结合软件实现点阵的正常显示。这样节省了资源的同时，也节约了时间。2.2.4 LCD显示设计采用LCD液晶显示器来显示光笔的精确位置，使系统更直观。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适。使整个控制系统更加人性化。采用1602A液晶显示器，焊接电路时较为方便。2.2.5 按键设计 系统采用四个独立式按键来实现不
10、用功能之间的切换。独立式键盘，简单，使用方便。能很好的完成设计要求。2.3系统作用本设计的主要作用是通过STM32来控制点阵和光笔，实现手写输入的功能。想要实现此功能，就需要对软件部分、硬件部分有很多的了解。其中软件部分通过C语言在KeiluVision4中编译完成，硬件部分由STM32、74HC154、74LS273、LED点阵、光敏三极管、LCD液晶显示屏和独立按键等部分完成。本设计的关键是完成LED点阵和光笔的设计，这样就能实现手写输入的功能。第三章 STM32系统3.1 STM32概述STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。
11、按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。这里我们选用STM32F103系列作为控制系统。要利用STM32设计点阵光笔，首先，要求具有一定的硬件基础知识；其次，要求具有一定的软件设
12、计能力，能够根据系统的要求，设计出所需要的程序；再次，要具有综合运用知识的能力。3.2 STM32F103功能概述3.2.1 主要特点STM32F系列属于中等容量增强型，32位基于ARM核心的带64或者128K字节闪存的微控制器，具有USB,CAN,7个定时器，2个ADC,9个通信接口。其主要特点有：1.内核-ARM 32位的Cortex -M3 CPU -最高72MHZ工作频率，在存储器的0的等待周期访问时可达1.25DMisp、MHZ（DhrystONe2.1） -单周期乘法和硬件除法 2.存储器-从64K或者128K字节的闪存程序存储器 -高达20K字节的SRAM 3.时钟、复位和电源管
13、理-2.0-3.6V供电和I/O引脚 -上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD） -4-16MHZ晶振振荡器 -内嵌经出厂调教的8MHZ的RC振荡器 -内嵌带校准的40KMZ的RC振荡器 -产生CPU时钟的PLL -带校准的32KMZ的RC振荡器 4.低功耗-睡眠、停机和待机模式 -Vbat为RTC和后备寄存器供电 5.模数转换器-2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道） -转换范围：0至3.6V -双采样和保持功能 -温度传感器 6.DMA-7通道DMA控制器 -支持的外设：定时器、ADC、SPI、I平方C和USRT 7.多达80个快速I/O端口-26/
14、37/51/80个II/O口，所有I/O口一颗映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号 8.调试模式-串行单线调试（SWD)和JTAG借口 9.多达7个定时器-3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入 -1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器 -2个看门狗定时器（独立的和窗口型的） -系统时间定时器：24位自减型计数器 10.多达9个通信接口-多达2个I平方C接口(支持SMBus/PMBus) -多达3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制） -多达2个SP
15、I接口(18M位/秒） -CAN接口（2.0B主动） -USB 2.0全速接口 11.计算单元CRC计算单元，96位的新批唯一代码 12.封装ECOPACK封装3.2.2 引脚图及功能概述1、引脚图 如图表 3所示图表 3 STM32F103引脚图2、引脚功能 15、1518、2426、2948、5172、7693、9598 为GPIO口，实现输入输出功能。 VDD 为电源 VSS 为电源地3.3 主控模块原理图图表 4 主控模块原理图第四章 硬件设计4.1 光笔的设计光笔采用PT333-3C型光敏三极管检测点阵屏发光的强弱变化电压信号，LM393为比较器。当光笔检测到光强的变化后，电压发生变化，系统接收信号后迅速定位光笔所在位置的行列值
